BR112017012695B1

BR112017012695B1 - Biorreator e processo insaturado para geração de hidrogênio por fermentação de estado sólido, e uso de um suporte sólido

Info

Publication number: BR112017012695B1
Application number: BR112017012695-8A
Authority: BR
Inventors: Anni Alitalo; Erkki Aura; Marko Niskanen
Original assignee: Q Power Oy
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2022-02-15
Also published as: CA2971323C; CN107109330A; AU2015366109B2; RU2673739C1; US10731117B2; JP6854774B2; JP2018504139A; PL3234100T3; US20170342362A1; LT3234100T; EP3234100A1; ES2706285T3; WO2016097478A1; CN107109330B; BR112017012695A2; DK3234100T3; CA2971323A1; EP3234100B1; AU2015366109A1

Abstract

biorreator e processo insaturado para geração de hidrogênio por fermentação de es-tado sólido, e uso de um suporte sólido. a presente invenção se relaciona a um processo de fer-mentação de estado sólido para produção de hidrogênio, e a um biorreator e suporte sólido para uso no referido processo.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um processo de fermentação de estado sólido para produção de hidrogênio, e a um biorreator e suporte sólido para uso no referido processo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] O hidrogênio (H2) é o elemento mais simples e o element mais abundante no universo. Contudo, ele é sempre combinado com outros elementos, e somente pequenas quantidades ocorrem naturalmente como gás na terra.

[003] O hidrogênio pode ser produzido por conversão de monóxido de carbono (CO) a dióxido de carbono (CO2) e hidrogênio (H2) através de uma reação com água (H2O) em uma reação de troca água-gás: CO + H2O ^ CO2 + H2. A reação pode ser catalisada por dois modos alternativos: inorganicamente usando catalisadores de metal à temperaturas de algumas centenas de graus Celsius, ou microbiologicamente em alguns dezenas de graus Celsius.

[004] Devido à temperatura de operação muito alta requerida e à natureza explosiva do hidrogênio, a produção de hidrogênio em catalisadores inorgânicos é uma tarefa desafiante. Este problema pode ser evitado por uso de biorreatores de fermentação de hidrogênio microbiologicamente catalisados.

[005] Os fatores ambientais gerais que afetam a atividade microbial em qualquer biorreator incluem teor de água, temperatura, pH, pressão parcial de oxigênio dissolvido e outros gases, condições nutricionais, e grau de homogeneidade. Tradicionalmente, os processos de fermentação são efetuados ou em partículas líquidas ou em partículas sólidas úmidas. A agitação mecânica ou agitação é o modo mais comum de intensificar a transferência de gases e outras substâncias no biorreator. A fermentação líquida acoplada com agitação proporciona biorreatores que são fáceis de controlar. Contudo, tais biorreatores são custosos e a agitação consome altas quantidades de energia. Se a biorreação usa substratos gasosos e/ou produz produtos terminais gasosos, transferência de gás eficiente segura em baixo custo torna-se extremamente difícil.

[006] Os processos de fermentação de estado sólido proporcionam várias vantagens sobre os processos de fermentação de líquido. Por exemplo, a água que é um pré-requisito para crescimento microbial existe principalmente como adsorvida em ou capilarmente ligada às partículas sólidas úmidas nos biorreatores de estado sólido. Desse modo, a fase água nos espaços entre as partículas é descontínua, e muito do espaço interpartícula é enchido pela fase gás. Isto torna relativamente fácil alimentar materiais de partida gasosos no biorreator por aplicação de pressão. Em adição, quaisquer produtos finais gasosos podem sair do sistema por diferenças de pressão. Nenhuma agitação é necessária em biorreatores de estado sólido, e, desse modo, instrumentação pode ser mais simples do que em biorreatores de líquido. Além disso, o crescimento microbial notavelmente denso nas partículas sólidas úmidas pode ser alcançado, resultando em alta eficiência de fermentação. A abordagem de estado sólido é particularmente adequada para processos de fermentação de grande escala e biorreatores em casos onde os preços unitários dos produtos finais são baixos e, desse modo, o objetivo é construir biorreatores de baixo custo com baixos custos de manutenção.

[007] Reatores de leito de gotejamento são um tipo de biorreatores de leito fixo para uso na fermentação de estado sólido. Nestes reatores, gotas de líquido sobre um leito recheado de partículas de catalisador por gravidade, enquanto que gás flui simultaneamente ou em uma maneira concorrente ou em contracorrente. Desse modo, o leito de gotejamento tem nível de saturação muito alto com líquido que partículas de catalisador úmidas não podem causar sucção de líquido. A alimentação de líquido suficiente é particularmente importante nas reações de fermentação que consomem o líquido.

[008] Wolfrum e Watt revelam em Proceedings of the 2001 U.S.DOE Hydrogen Program Review, Baltimore, MD, United States, April 17-19, 2001, pp. 11-22, uso de um reator de leito de gotejamento em contracorrente para metabolização de CO por microrganismos que ocorrem naturalmente junto com água para produzir H2 e CO2. A água foi provida em um meio de cultura estéril, alíquotas frescas das quais foram periodicamente adicionadas ao reator para restabelecer a fase líquida. Os materiais de suporte testados incluem gotas de vidro de dois diâmetros diferentes, material de esponja celulósica, e madeira dura moída. O desempenho do reator difere do material de suporte para material de suporte.

[009] Existem algumas desvantagens associadas com fermentação de estado sólido também. Por exemplo, devido a variação das condições ambientais físicas e químicas, o crescimento microbial e sua eficácia podem ser desigualmente distribuídos sobre as partículas sólidas. Desde que os biorreatores de estado sólido não podem ser homogeneizados por agitação, a disponibilidade de nutrientes aos micro-organismos pode ser desigual, e pode ser difícil proporcionar controle de pH. Além disso, aeração ou transferência de substâncias gasosas entre partes diferentes do biorreator, podem ser limitadas. Isto pode, por exemplo, ser devido a um bloqueio do espaço de interpartícula por condensação de água, ou água produzida na biorreação. Por outro lado, em casos onde a biorreação não produz água, as partículas sólidas podem dessecar devido à gravidade ou fluxos de gás, desse modo, abaixando a capacidade de fermentação dos micro-organismos.

[0010] A presente invenção objetiva evitar as desvantagens de biorreatores de estado sólido convencionais, especialmente quando a biorreação envolve matérias de partida gasosos e/ou produtos de reação, e baixos custos de construção e manutenção são desejados.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0011] Um aspecto da presente invenção se relaciona a um biorreator compreendendo um sistema de alimentação de CO, um sistema de alimentação de H2O, um sistema de reticulação de efluente, e um sistema de coleta de H2 e CO2, no qual

[0012] o biorreator é carregado com um suporte sólido poroso pelo menos 10% do qual tem um tamanho de volume de poro que resulta em uma sucção de água de cerca de 0,01 a cerca de 1,0 bar, conforme comparada à água livre, no qual

[0013] referido nível de sucção de água para referido pelo menos 10% dos volumes de poro é obtido por carregamento do biorreator com um suporte sólido que compreende ou (i) partículas apresentando um diâmetro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 20% das partículas; (ii) um material esponjoso apresentando um tamanho de poro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus poros; (iii) um material filamentoso, no qual o diâmetro de espaços interfilamentosos é de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus espaços interfilamentosos; ou (iv) qualquer mistura de (i) a (iii),

[0014] e no qual o suporte sólido é inoculado com água de catalisação de micro-organismos-reação de deslocamento de gás; e

[0015] o biorreator compreende uma fase sólida, uma fase líquida, e uma fase gasosa, no qual o volume da fase gasosa é 20% a 80% do volume do biorreator.

[0016] Outro aspecto da invenção se relaciona a processo para geração de hidrogênio por fermentação de estado sólido, compreendendo as etapas de a) proporcionar um biorreator de acordo com qualquer concretização da presente invenção, b) alimentar CO e H2O no reator, c) bioconverter anaerobicamente referidos CO e H2O em hidrogênio e dióxido de carbono, e d) coletar hidrogênio a partir do biorreator.

[0017] Ainda outro aspecto da invenção se relaciona ao uso de um suporte sólido compreendendo (i) partículas apresentando um diâmetro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 20% das partículas; (ii) um material de estrutura esponjosa apresentando um tamanho de poro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus poros; ou (iii) um material de estrutura filamentosa, no qual o diâmetro de espaços inter- filamentosos é de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus espaços inter-filamentosos; ou uma mistura destes, para geração de hidrogênio de monóxido de carbono e água em um processo de fermentação de estado sólido.

[0018] Concretizações específicas da invenção são colocadas nas reivindicações dependentes. Outros aspectos, detalhes, concretizações e vantagens da presente invenção tornar-se-ão aparentes a partir dos seguintes desenhos, descrição detalhada e exemplos.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO

[0019] Em seguida a invenção será descrita em maiores detalhes por meio de concretizações preferidas com referência ao desenho em anexo, em que

[0020] A Figura 1 mostra uma representação esquemática de um biorreator de hidrogênio exemplar.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0021] A presente invenção se relaciona a um processo de fermentação de estado sólido insaturado (SSF) e um biorreator, no qual monóxido de carbono (CO) e água (H2O) são convertidos em hidrogênio (H2) e dióxido de carbono (CO2) por micro-organismos que são crescidos em um suporte sólido poroso no biorreator, e que são capazes de catalisar uma reação de alteração de água-gás (WGS).

[0022] Os micro-organismos adequados para uso no presente processo de SSF e biorreator podem ser obtidos de várias fontes, tais como coletas de cultura, ou serem isolados, por exemplo, de pântanos, tais como turfeiras ou pântanos de esfágno, ou outros pantanais, ou de órgãos digestivos ou um trato digestivo. A escolha do micro-organismo no presente processo pode depender de vários fatores incluindo, mas não limitado a, nutriente, temperatura, e requisições de pH de um dado micro-organismo conforme já compreendido por um técnico no assunto. Em algumas concretizações, os micro-organismos que operam bem em temperaturas mais baixas podem ser preferidos porque menos energia seria necessário para aquecimento da biorreação. Um técnico no assunto é capaz de determinar se ou não um micro-organismo é adequado para ser usado em concretizações diferentes da presente invenção.

[0023] O biorreator, de acordo com a presente invenção, compreende três fases maiores, isto é, uma fase sólida compreendendo um suporte sólido poroso, uma fase líquida compreendendo água empregadas no processo de fermentação, e uma fase gasosa compreendendo CO, H2, e CO2. O volume da fase gasosa deve ser 20% a 80% do volume do biorreator de modo a alcançar uma interface líquido-sólido grande o bastante. Além disso, quanto maior a fase gasosa, mais longo o tempo de reação e, desse modo, mais eficiente o biorreator. É importante que a fase sólida seja distribuída igualmente na dispersão da fase gasosa através de todo o biorreator.

[0024] Importantemente, o presente biorreator é insaturado com a fase líquida. Conforme aqui usado, o termo "insaturado" se refere a não ser saturado, isto é, apresentando a sucção para conter ainda mais da fase líquida, tipicamente água. Consequentemente, o presente biorreator é fundamentalmente diferente de biorreatores saturados, tais como reatores de leito de gotejamento. Conforme aqui usado o termo "saturado" se refere a ser saturado, isto é, não apresentando a sucção para ligar qualquer mais de líquido, tal como água.

[0025] Condutividade capilar e volume de gás intersólido-suporte suficiente definem as características de fluxo de gás e líquido através do suporte sólido. Condutividade capilar adequada é requerida para assegurar que a transferência de gás e líquido possa ser distribuída igualmente e mantida nos níveis desejados para a duração do processo de fermentação. Além disso, a unidade no biorreator deve ser alta o bastante para capacitor os micro-organismos a crescerem no suporte sólido. Por outro lado, teor de umidade muito alto seria nocivo a pelo menos alguns tipos de micro-organismos, bem como bloquear a transferência de gás por enchimento do espaço de intersólido-suporte.

[0026] O suporte sólido adequado para uso na presente invenção deve ser poroso de modo a obter condições de fermentação suficientes conforme aqui desejado. A água se liga aos poros do suporte sólido por forças capilares, resultando de adsorção e tensão superficial. A intensidade da ligação pode ser expressa por unidades de pressão, tais como bares. Um dado tamanho de poro corresponde a uma certa intensidade de ligação. Assumindo que os poros são tubos cilíndricos, o raio dos poros maiores enchidos com água pode ser calculado a partir da seguinte equação:r = 2y / hpg,

[0027] no qual r é o raio do poro (m);

[0028] Y é a tensão superficial de água, isto é, 0,073 N/m;

[0029] h é a sucção de água expressa como a altura da coluna de água (m) (o valor absoluto de potencial capilar da água);

[0030] p é a densidade da água, isto é, 1000 kg/m3;

[0031] g é aceleração gravitacional, isto é, 9,81 m /s2.

[0032] Esta equação é frequentemente apresentada em uma forma simplificada: D=0,3/h,

[0033] no qual D é i diâmetro do poro (cm); e

[0034] h é a sucção de água expressa como a altura da coluna de água (cm) (o valor absoluto de potencial capilar da água).

[0035] O suporte sólido adequado para uso na presente invenção deve ser tal que pelo menos 10% dos volumes de poro têm diâmetros de poro resultando em uma sucção de água de cerca de (0,01 a cerca de 1,0 bar), conforme comparada à água livre. Este nível de sucção de água é um pré-requisito para o presente biorreator sendo funcional em condições insaturadas.

[0036] Referido nível de sucção de água requerido de cerca de (0,01 a cerca de 1,0 bar) para pelo menos 10% dos volumes de poro é alcançado pelo uso de suporte sólido de acordo com qualquer concretização colocada abaixo.

[0037] Em algumas concretizações, o suporte sólido pode compreender ou estar na forma de partículas apresentando um diâmetro de 0,1 mm a 10 mm. Qualquer um tamanho de partícula dentro desta faixa, ou qualquer combinação deste, pode ser usado no presente processo e o biorreator. Exemplos não limitantes de diâmetros médios adequados dos poros estão dentro da faixa de cerca de 10 nm a cerca de 100 nm, e materiais de partícula adequados incluem, mas não são limitados a, misturas de material compreendendo vermiculita, vermiculitas modificadas, materiais similares à vermiculita, ou vermiculitas sintéticas; resinas de troca de cátion sintéticas; vários tipos de turfa; outros materiais orgânicos; e misturas destes, considerando-se que eles têm ou eles proporcionam as características físicas e químicas requeridas aqui descritas. É particularmente importante que o suporte sólido proporcione uma fase gasosa, o volume da qual é 20% a 80% do volume do biorreator, e que é distribuída igualmente através de todo o biorreator.

[0038] Em algumas outras concretizações, o suporte sólido pode compreender ou estar na forma de uma estrutura esponjosa apresentando uma distribuição de tamanho de poro dentro da faixa de cerca de 0,1 mm a cerca de 10 mm para pelo menos 10% de seu volumes de poro. Exemplos não limitantes de materiais esponjosos adequados incluem materiais esponjosos sintéticos, tais como polímeros plásticos espumados, bem como esponjas naturais.

[0039] Em algumas ainda outras concretizações, o suporte sólido pode ser provido como uma estrutura filamentosa. Em tais casos, os espaços interfilamentosos podem estar relacionados como os poros do suporte sólido filamentoso, e sua distribuição de diâmetro deve estar dentro da faixa de cerca de 0,1 mm a cerca de 10 mm para pelo menos 10% dos espaços interfilamentosos.

[0040] Um exemplo não limitante de um material filamentoso adequado inclui lã de aço. À medida que a lã de aço não tem quaisquer propriedades de troca de cátion, ela pode ser provida em uma mistura com partículas apresentando propriedades de troca de cátion suficientes. Alternativamente ou em adição, a lã de aço pode ser revestida ou aplicada com um material orgânico, tal como poliacrilamida, de modo a alcançar propriedades de troca de cátion suficientes.

[0041] O suporte sólido poroso pode também ser qualquer mistura de partículas, materiais esponjosos e filamentos, considerando-se que preenche as requisições físicas aqui colocadas.

[0042] A porosidade do suporte sólido não somente afeta as condições de umidade no biorreator, mas também proporciona uma superfície de fixação grande para micro-organismos, e os protege de inundação. Em adição, a porosidade aumenta a área superficial específica do suporte sólido. Em algumas concretizações, a área superficial específica do suporte sólido é pelo menos 5 m2/g.

[0043] Alta área superficial específica, por sua vez, resulta em alta capacidade de troca de íon do suporte sólido poroso. De modo ser adequado para uso no presente processo de fermentação, o suporte sólido deve ter alta capacidade de troca catiônica, tipicamente mais alta do que 0,1 mmol/g. Desde que muitas substâncias de nutriente são catiônicas, as propriedades de troca de cátion do suporte sólido são mais importantes do que as propriedades de troca de ânion. Contudo, em algumas concretizações, o suporte sólido pode também possuir propriedades de troca de ânion. Em algumas concretizações adicionais, a capacidade de troca de cátion e a capacidade de troca de ânion podem ainda ser quase iguais entre si.

[0044] Além disso, a alta área superficial específica junto com a alta capacidade de troca de cátion resulta na formação de uma biopelícula. Isto, por sua vez, aumenta a eficiência do processo de fermentação devido ao alto teor de micro-organismo.

[0045] As propriedades acima mencionadas do suporte sólido proporcionam propriedades de tamponamento suficiente no processo de fermentação. Quando o suporte sólido, devido a sua capacidade de trica de cátion, é capaz de trocar hidrogênio e/ou íons de hidroxila com uma fase líquida, não deve ser necessário controle de pH adicional.

[0046] Os suportes sólidos não adequados para uso na presente invenção incluem materiais que são inativos em termos de sua capacidade de troca de cátion. Exemplos mais específicos de tais materiais incluem materiais à base de sílica tais como vidro, materiais à base de madeira, muitos plásticos (a menos que eles sejam pares com grupos ativos), e muitos materiais de pedra, tal como feldspato e quartzo. É significativo mencionar que embora a vermiculita exista em formas apresentando uma capacidade de troca de cátion suficiente, ela não é um material de suporte sólido adequado para ser usado sozinho no presente biorreator. Isto é porque não é possível alcançar um volume suficiente de fase gasosa com somente vermiculita. A compactação espontânea através de efeito de umedecimento e secagem reduziria o volume de fase gasosa abaixo de 20% do volume do biorreator mesmo se em alguns casos específicos pode ser possível alcançar um volume inicial de fase gasosa de levemente acima de 20% do volume do biorreator. Desse modo, se a vermiculita é para ser empregada no presente biorreator, ela necessita ser provida em uma mistura com outros materiais não planos, tal como perlita, de modo a preencher a requisição que o volume da fase gasosa deve ser 20% a 80% do volume do biorreator.

[0047] O presente processo pode ser efetuado em um biorreator que é, por exemplo, um vidro, aço inoxidável, ou tanque ou vaso de plástico. O material do biorreator deve ser não tóxico aos microorganismos usados no processo. O tamanho e forma do biorreator podem variar dentro de uma faixa conhecida a um técnico no assunto, dependendo de parâmetros diferentes, tal como a escolha do material do suporte sólido material. DE preferência, o tamanho é adequado para produção de hidrogênio em escala industrial. O biorreator deve ser de baixo custo, fácil de operar, e seguro.

[0048] Um biorreator exemplar é ilustrado na Figura 1. A extremidade superior do vaso do biorreator 10 é provida com um sistema de distribuição de CO 20 e um sistema de distribuição de água 30, pelo que a extremidade inferior do vaso 10 é provida com sistema de coleta de H2 e CO2 40, e um sistema de coleta de efluente 50. A parte de fundo do vaso do biorreator é coberta com uma camada de calcário triturado 60, enquanto que o restante do vaso é carregado com um material poroso do suporte sólido 70 aqui descrito. O vaso do biorreator é circundado por uma circulação de água de aquecimento 80.

[0049] Em algumas concretizações, o sistema de coleta de efluente 50 é um sistema de reticulação de efluente que é conectado ao sistema de distribuição de água 30. Conforme aqui usado, o termo "efluente" se refere a uma descarga de água a partir do biorreator.

[0050] Os H2 e CO2 produzidos podem ser separados entre si por métodos padrões conhecidos na técnica. Esta etapa de separação pode ou não pode ser incluído no presente processo de fermentação.

[0051] O biorreator pode ser provido com vários sensores para monitoramento dos parâmetros desejados, tais como a temperatura, pH, e umidade no reator. Tais sensores são prontamente disponíveis na técnica. O biorreator pode também ser provido com um analisador de gás para monitoramento da operação do biorreator e o rendimento da produção de hidrogênio.

[0052] O controle de temperatura do presente processo pode ser obtido, por exemplo, por conexão de um sistema de circulação de água fechado ao biorreator. Tal sistema pode proporcionar ou aquecimento ou resfriamento do processo, dependendo das necessidades de um dado micro-organismo. Calor é transferido entre o sistema de circulação de água e o biorreator por condutividade. Outros meios e métodos para ajuste da temperatura do presente processo são bem conhecidos na técnica.

[0053] Monóxido de carbono usado como um material de partida no presente processo de fermentação pode ser capturado de qualquer fonte adequada incluindo, mas não limitado a, gás sintético de combustíveis fósseis tais como carvão, óleo ou gás em instalações de energia.

[0054] Os micro-organismos requerem nutrientes adicionais tais como nitrogênio, níquel, e/ou cobalto para ser crescimento. Estas substâncias podem ser supridas durante o processo de fermentação ou, de preferência, providas fixadas a um suporte sólido apresentando capacidade de troca de cátion conforme descrito acima, resultando, desse modo, em um processo autossustentado neste particular. O nitrogênio pode ser dado, por exemplo, na forma de ureia ou carbonato de amônia. Em algumas concretizações, cinza de madeira pode ser usada para proporcionar nutrientes adicionais aos micro-organismos. A concentração específica nestes elementos depende do micro-organismo sendo usado.

[0055] Um biorreator funcional e processo de fermentação de hidrogênio, de acordo com as presentes concretizações, podem ser produzidos em um curto período de tempo, tal como um par de dias. Após o processo de fermentação estar em vigor e operando, o biorreator continuará a produzir hidrogênio e dióxido de carbono por um período de vários meses ou anos. Em algumas concretizações, a eficiência da biorreação pode exceder vários watts por litro e/ou a pureza de gás produzido pode ser próxima à valores teóricos de 50% de hidrogênio e 50% de dióxido de carbono. Quando mais eficiente o biorreator por volume, menor seu tamanho pode ser.

[0056] O hidrogênio coletado do biorreator pode ser usado para qualquer proposta desejada incluindo, mas não limitado a, células de combustível. O hidrogênio pode também ser usado como um material de partida para produção de vários hidrocarbonetos, tal como metano.

[0057] Será óbvio a um técnico no assunto que, à medida que a tecnologia avança, o conceito inventivo pode ser implementado em vários modos. A invenção e suas concretizações não são limitadas aos exemplos descritos abaixo, mas podem variar dentro do escopo das reivindicações.

Exemplo 1

[0058] Um biorreator vertical de 18,15 litros ilustrado na Figura 1 foi construído de um tubo de esgoto de cloreto de polivinila apresentando um diâmetro de 160 mm e altura de 1000 mm. Dois tubos de admissão de náilon para CO e distribuição de efluente do biorreator foram assentados na parte superior do tubo. A parte inferior do tubo foi provida com dois tubos de descarga, um para coleta de gás e o outro para procedimentos de manutenção possíveis, tal como reciclagem do efluente do biorreator. A parte inferior do tubo de esgoto foi coberta com uma camada de 10 cm de espessura de calcário triturado, e o resto do biorreator foi enchido com um suporte sólido, vermiculita. Antes do enchimento, 2,5 kg de vermiculita foi misturado com 700 g de perlita, 40,0 g de cinza de madeira, 0,8 g de sulfato de cobalto hidratado (CoSo4^7H2O), e 0,8 g de cloreto de níquel hidratado (NiCl2^6H2O). O biorreator foi inoculado com 8,4 litros de pasta fluida aquosa de micro-organismos obtidos de um biorreator anterior e armazenada em um CO por bombeio através da admissão da parte superior do biorreator.

[0059] Um sistema de circulação de água foi usado para aquecimento do biorreator. A temperatura da água de aquecimento foi ajustada a um nível desejado, tipicamente 53 a 55°C.

[0060] O efluente do biorreator e CO foram transportados ao biorreator através de dois tubos de admissão de nylon assentados na parte superior do biorreator. A proporção e modo do CO e distribuição de efluente de biorreator foram ajustados no começo do processo de fermentação na base de variáveis, tais como secura do biorreator.

[0061] Amostras de gás foram coletadas a partir da descarga do reator. CO, CO2 e CH4 foram analisados com uma cromatografia de gás Hewlett Packard 6890 pelo uso de detector TCD. H2S, H2 e O2 foram medidos com um analisador de gás COMBIMASS GA-m pelo uso de sensores eletroquímicos. Devido à alta concentração dos componentes de gás medidos, a amostra de gás foi diluída antes da medição da composição do gás. Para CO, CO2 e CH4, a medição da diluição foi 100 vezes. Para H2, H2S e O2, a medição da diluição foi 500 a 1000 vezes. Na medição contínua do gás de descarga, o nível de CO2 foi feito com um analisador de gás Drager GasVisi X-am 7000.

[0062] Quando a taxa de alimentação de CO varia entre 30 litros/dia e 300l/dia, a eficiência média do biorreator varia entre 0,2 Watt/Litro e 2 Watt/Litro, enquanto que H2 e CO2 foram 45 % em vol. e 45% em vol., respectivamente.

Claims

1. Biorreator insaturado compreendendo um sistema de alimentação de CO (20), um sistema de alimentação de H2O (30), um sistema de reticulação de efluente (50), e um sistema de coleta de H2 (40), o referido biorreator sendo caracterizado pelo fato de que é carregado com um suporte sólido poroso (70), pelo menos 10% do qual apresenta um tamanho de volume de poro que resulta em uma sucção de água de 1 KPa a 100 KPa (0,01 bar a 1,0 bar), conforme comparada à água livre, sendo que o referido nível de sucção de água para o referido pelo menos 10% dos volumes de poro é obtido por carregamento do biorreator com um suporte sólido, o qual compreende: (i) partículas apresentando um diâmetro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 20% das partículas; ou (ii) um material esponjoso apresentando um tamanho de poro de 0,1 mm a 10 mm por pelo menos 10% de seus poros; ou (iii) um material filamentoso, no qual o diâmetro de espaços interfilamentosos é de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus espaços interfilamentosos; ou (iv) qualquer mistura de (i) a (iii), sendo que o referido suporte sólido é inoculado com água de catalisação de micro-organismos-reação de deslocamento de gás; e sendo que o referido biorreator compreende uma fase sólida, uma fase líquida, e uma fase gasosa, sendo que o volume da fase gasosa é 20% a 80% do volume do biorreator, e sendo que o referido biorreator não é um reator de leito de gotejamento.

2. Biorreator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido suporte sólido (70) apresenta uma capacidade de troca catiônica de pelo menos 0,1 mmol/g.

3. Biorreator, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o referido suporte sólido (70) apresenta uma área superficial específica de pelo menos 5 m2/g.

4. Biorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as referidas partículas de suporte sólido são selecionadas do grupo consistindo em misturas de material compreendendo vermiculita, misturas de material compreendendo vermiculita modificada, misturas de material compreendendo material similar à vermiculita, misturas de material compreendendo vermiculitas sintéticas, resinas de troca de cátion sintéticas, vários tipos de turfa, e misturas destes.

5. Biorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o referido material esponjoso é selecionado a partir do grupo consistindo em materiais esponjosos sintéticos e esponjas naturais.

6. Biorreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o referido material filamentoso é lã de aço revestida ou não revestida.

7. Processo insaturado para geração de hidrogênio por fermentação de estado sólido, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) proporcionar um biorreator, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6; (b) alimentar CO e H2O no reator; (c) bioconverter anaerobicamente os referidos CO e H2O em hidrogênio e dióxido de carbono; e (d) coletar o referido hidrogênio e dióxido de carbono do biorreator.

8. Uso de um suporte sólido, que compreende: (i) partículas apresentando um diâmetro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 20% das partículas; (ii) um material de estrutura esponjosa apresentando um tamanho de poro de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus poros; ou (iii) um material de estrutura filamentosa, no qual o diâmetro de espaços interfilamentosos é de 0,1 mm a 10 mm para pelo menos 10% de seus espaços interfilamentosos; ou uma mistura destes; o referido uso sendo caracterizado pelo fato de que é para geração de hidrogênio a partir de monóxido de carbono e água em um processo insaturado de fermentação de estado sólido.

9. Uso, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o referido suporte sólido apresenta uma capacidade de troca catiônica de pelo menos 0,1 mmol/g.

10. Uso, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o referido suporte sólido apresenta uma área superficial específica de pelo menos 5 m2/g.

11. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que as referidas partículas são selecionadas do grupo consistindo em misturas de material compreendendo vermiculita, misturas de material compreendendo vermiculita modificadas, misturas de material compreendendo materiais similares à vermiculita, misturas de material compreendendo vermiculitas sintéticas, resinas de troca de cátion sintéticas, vários tipos de turfa, e misturas destes.

12. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que o referido material esponjoso é selecionado a partir do grupo consistindo de materiais esponjosos sintéticos e esponjas naturais.

13. Uso, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado pelo fato de que o referido material filamentoso é lã de aço revestida ou não revestida.